高性能锂金属电池负极结构设计及界面强化研究进展

锂离子电池(LIBs)作为目前使用最广泛的二次电池，绝大多数以理论比容量较低的石墨(372 m Ah/g)为负极，已无法满足人们日益增长的对电池储能性能的要求。金属锂因其超高的理论比容量(3 860 m Ah/g)和最低的还原电势(-3.04 V，相比于氢标准电极)被看作是下一代高能量密度可充电锂电池最理想的负极材料。尤其是当金属锂与硫、氧组成锂-硫或锂-氧电池体系时，其理论能量密度远超锂离子电池，受到研究者的广泛关注。然而，库伦效率低和稳定性差一直是限制锂金属电池商业化应用的关键因素。当金属锂直接用作电池负极时，其易与电解液反应，在其表面形成一层脆弱的固态电解质中间相(SEI)膜。电池循环时，负极体积膨胀会破坏SEI膜，诱导锂枝晶和“死锂”形成，造成不可逆的容量损失。此外，锂枝晶生长至一定程度后会刺穿隔膜，导致电池内部短路甚至发生爆炸，引发严重的安全问题。为了解决上述问题，研究者们在锂金属负极失效机制、结构设计及界面强化等方面进行了许多探索。一些研究枝晶生长的理论模型如Chazalviel-Brissot模型、Yamaki模型和静电屏蔽模型等已受到广泛认可。在此基础上，研究者们尝试通...